CN113957100A - 一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，涉及厌氧发酵技术领域。低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法包括：将餐厨垃圾和接种物混合形成发酵体系，并在发酵体系中加入碳酸氢铵进行厌氧发酵；其中，餐厨垃圾的碳氮比小于等于15；根据厌氧发酵反应器的体积确定加入碳酸氢铵的量，碳酸氢铵的加入量是控制氨氮浓度为1‑200mg/L。通过在低碳氮比的餐厨垃圾进行厌氧发酵时加入特定量的碳酸氢铵，促进低碳氮比厌氧消化系统自我调节能力的加强，使得系统稳定性增强，避免发酵系统过量中间产物积累，最终实现低碳氮比的餐厨垃圾进行厌氧发酵并高效产甲烷的目的。
Description
技术领域
本发明涉及厌氧发酵技术领域，具体而言，涉及一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法。
背景技术
全球每年生产的消费食品大约会有1/3被丢弃，这导致世界范围内每年约有13亿吨的厨余垃圾产生。由于厨余垃圾易腐烂变质的特性，其生物降解速度是废纸类的四倍，是木材类垃圾的十倍，大量的厨余垃圾已导致全球范围内土壤，水以及空气的大规模污染。厨余垃圾所带来的卫生、能源、环境、经济和社会管理等问题越来越受到各国官方和学术界的关注，如何经济并可持续的处理厨余垃圾已成为社会广泛关注的议题。
到目前为止，全世界已经建造了数百万个厌氧消化工艺，这些厌氧工艺多用于处理高/复杂的有机废物。由于厨余垃圾的有机物含量高(>90％)且理论产生甲烷潜能高，因此厨余垃圾适合使用厌氧消化处理。然而，厌氧消化工艺实际应用中的设计、处理能力及运行的稳定性都与厨余特征和操作条件密切相关。
碳氮比是厌氧发酵过程中的关键因素，制约了厌氧发酵系统的稳定性和甲烷产量。低碳氮比(<10)会导致系统的元素失衡，造成过量的中间产物(挥发性脂肪酸或氨的生成)，不利于微生物尤其是产甲烷菌的生长代谢，降低消化系统的效率和经济效益进而制约餐厨垃圾资源化的发展。目前，低碳氮比的厨余垃圾是难以启动厌氧发酵的。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，旨在解决现有低碳氮比餐厨垃圾厌氧发酵系统难以稳定运行的问题，以实现稳定、高效地产甲烷。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，包括：将餐厨垃圾和接种物混合形成发酵体系，并在发酵体系中加入碳酸氢铵进行厌氧发酵；
其中，餐厨垃圾的碳氮比小于等于15；
根据厌氧发酵反应器的体积确定加入碳酸氢铵的量，碳酸氢铵的加入量是控制氨氮浓度为1-200mg/L。
在可选的实施方式中，餐厨垃圾的碳氮比小于等于11。
在可选的实施方式中，餐厨垃圾的碳氮比为6-11。
在可选的实施方式中，碳酸氢铵的加入量是控制氨氮浓度为50-150mg/L；优选地，碳酸氢铵是以水溶液的形式加入。
在可选的实施方式中，接种物的用量根据餐厨垃圾中的挥发性有机固体含量进行确定，以控制发酵体系中挥发性有机固体的质量浓度为2-7％；优选为3-6％。
在可选的实施方式中，接种物为厌氧污泥；
优选地，接种物为驯化后的厌氧污泥。
在可选的实施方式中，厌氧污泥中挥发性有机固体含量与餐厨垃圾中挥发性有机固体的质量比为10:2.5-3.5。
在可选的实施方式中，厌氧发酵温度为30-40℃，发酵时间为15-30天。
在可选的实施方式中，厌氧发酵温度为32-37℃，发酵时间为20-25天。
在可选的实施方式中，在厌氧发酵的过程中，收集产生的甲烷气体。
本发明具有以下有益效果：通过在低碳氮比的餐厨垃圾进行厌氧发酵时加入特定量的碳酸氢铵，促进低碳氮比厌氧消化系统自我调节能力的加强，使得系统稳定性增强，避免发酵系统过量中间产物积累，最终实现低碳氮比的餐厨垃圾进行厌氧发酵并高效产甲烷的目的。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
针对现有技术中存在的低碳氮比的餐厨垃圾厌氧发酵系统难以运行的问题，发明人对发酵条件进行了改进，通过提升低碳氮比厌氧消化系统自我调节能力，增加系统稳定性，进而实现低碳氮比的餐厨垃圾厌氧发酵的稳定运行，并高效生产甲烷气体。
本发明实施例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，包括：将餐厨垃圾和接种物混合形成发酵体系，并在发酵体系中加入碳酸氢铵进行厌氧发酵。通过加入碳酸氢铵可以促使低碳氮比厌氧消化系统自我调节能力的加强，进而增加系统稳定性。
其中，餐厨垃圾的碳氮比小于等于15；优选地，餐厨垃圾的碳氮比小于等于11；更优选地，餐厨垃圾的碳氮比为6-11。以上碳氮比的餐厨垃圾均适合于本发明实施例所提供的厌氧发酵方法，餐厨垃圾的碳氮比可以为6、7、8、9、10、11、12、13、14、15等，也可以为以上相邻碳氮比之间的任意值。
进一步地，根据厌氧发酵反应器的体积确定加入碳酸氢铵的量，碳酸氢铵的加入量是控制氨氮浓度为1-200mg/L。在优选的实施例中，碳酸氢铵的加入量是控制氨氮浓度为50-150mg/L。根据厌氧发酵反应器的体积确定碳酸氢铵固体的加入量，控制氨氮浓度为1-200mg/L，即碳酸氢铵的固体用量为6-1100mg/L。具体地，碳酸氢铵加入时也可以将其配置成水溶液，以水溶液的形式加入。
具体地，碳酸氢铵的加入量是控制氨氮浓度可以为1mg/L、10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L、80mg/L、90mg/L、100mg/L、110mg/L、120mg/L、130mg/L、140mg/L、150mg/L、160mg/L、170mg/L、180mg/L、190mg/L、200mg/L等，也可以为以上相邻浓度值之间的任意值。
需要说明的是，将可溶性碳酸氢铵配置成均一的溶液，添加到发酵体系中，保证与餐厨垃圾的完全混合，对厌氧发酵设备没有影响；同时，根据厌氧发酵反应器的反应液体积控制添加碳酸氢铵的量，使得低碳氮比餐厨垃圾发酵产物中氨氮的添加量适宜，提高发酵中间产物挥发性脂肪酸的质量，有效促进产甲烷菌的活性，驯化成效率更高的乙酸氧化型产甲烷菌，大大增加了甲烷产量和产气质量。此外，还严格避免了微生物碳元素摄入不足，生长代谢失衡的现象。与未添加碳酸氢铵的实验组相比，甲烷产气量提高40％，并形成以高效率的乙酸氧化型产甲烷菌为主的产甲烷机制。
进一步地，接种物可以为厌氧污泥等常规的发酵基质，也可以为其他发酵基质。在优选的实施例中，接种物为驯化后的厌氧污泥，以增加餐厨垃圾对环境的适应性。
在一些实施例中，接种物的用量根据餐厨垃圾中的挥发性有机固体含量进行确定，以控制发酵体系中挥发性有机固体的质量浓度为2-7％；优选为3-6％。餐厨垃圾和厌氧污泥中均含有挥发性有机固体，控制挥发性有机固体的总含量为2-7％，如2％、3％、4％、5％、6％、7％等。
在一些实施例中，厌氧污泥中挥发性有机固体含量与餐厨垃圾中挥发性有机固体的质量比为10:2.5-3.5，以更精确地控制厌氧污泥的用量，有利于进一步高效地产甲烷。
进一步地，厌氧发酵温度为30-40℃，发酵时间为15-30天。在优选的实施例中，厌氧发酵温度为32-37℃，发酵时间为20-25天。发酵温度大致控制在中温的条件，可以为30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃、40℃等。发酵温度、厌氧污泥的加入量、碳酸氢铵的加入量等工艺条件是相互配合，在以上众多条件的共同作用下，达到了高效生产甲烷的目的。
进一步地，在厌氧发酵的过程中，收集产生的甲烷气体，以将甲烷作为产品进行收集，便于利用。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，包括以下步骤：
(1)以肉(33％)，蔬菜(33％)，水果(20％)，碳水化合物(14％)组成为低碳氮比约为6的餐厨垃圾样品，其挥发性有机固体为26％，接种污泥为驯化后的厌氧污泥。控制厌氧污泥中挥发性有机固体含量与餐厨垃圾中挥发性有机固体的质量比为10:3，来确定厌氧污泥的用量。将餐厨垃圾和厌氧污泥样品于200mL发酵瓶(工作体积为100mL)进行批次产甲烷潜能测试试验。
(2)向200mL发酵瓶(工作体积为100mL)中添加碳酸氢铵溶液水溶液，碳酸氢铵固体的加入量是控制氨氮浓度为200mg/L(即氨氮20mg，对应112.7mg碳酸氢铵固体)。将发酵瓶置于水浴锅中，35℃的条件下发酵30天，并收集沼气。
经检测，累计甲烷产气量大致为244.3±16.1mL/g VS。
实施例2
本实施例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，包括以下步骤：
(1)以肉(33％)，蔬菜(33％)，水果(20％)，碳水化合物(14％)组成为低碳氮比约为6的餐厨垃圾样品，其挥发性有机固体为26％，接种污泥为驯化后的厌氧污泥。控制厌氧污泥中挥发性有机固体含量与餐厨垃圾中挥发性有机固体的质量比为10:3，来确定厌氧污泥的用量。将混合后的样品置于35℃的中温反应器中。
(2)使用连续流反应器，有效容积为5L，工作体积为3.2L，水力停留时间设置为22天，有机负荷控制在1.4kg/m3/d；将碳酸氢铵以200mg总氨氮/L浓度添加至反应器中，并监控氨氮，挥发性脂肪酸和碱度的浓度以及沼气生成。
经检测，甲烷平均日产气量稳定性提高，稳定在221±86mL/g VS。
实施例3
本实施例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，与实施例1的区别在于：以肉(42.0％)，蔬菜(32.4％)，水果(17.2％)，碳水化合物(8.4％)组成为低碳氮比约为10的餐厨垃圾样品。
实施例4
本实施例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，与实施例1的区别在于：以肉(28.3％)，蔬菜(37.3％)，水果(17.6％)，碳水化合物(16.8％)组成为低碳氮比约为11的餐厨垃圾样品。
实施例5
本实施例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，与实施例1的区别在于：碳酸氢铵固体的加入量是控制氨氮浓度为500mg/L。
实施例6
本实施例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，与实施例1的区别在于：碳酸氢铵固体的加入量是控制氨氮浓度为1000mg/L。
对比例1
本对比例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，与实施例1的区别仅在于：不加入碳酸氢铵。
经检测，累计产气量大致为223.0±1.0mL/g VS。
实施例1相比于对比例1累计产气量提高10％。
对比例2
本对比例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，与实施例2的区别仅在于：不加入碳酸氢铵。
经检测，平均日产气量为156.6±44mL/g VS，且产甲烷稳定性不高，浮动较大，49.2-269.8mL/g VS。
实施例2相比于对比例2平均日产气量提高30％，且产甲烷稳定性提高。
对比例3
本对比例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，与实施例1的区别仅在于：碳酸氢铵加入量是以1000mg总氨氮/L浓度添加至反应器中。
经检测，累计产气量大致为228.9±1.0mL/g VS。
对比例4
本对比例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，与实施例1的区别仅在于：碳酸氢铵加入量是以2000mg总氨氮/L浓度添加至反应器中。
经检测，累计产气量大致为217.0±3.1mL/g VS。
对比例5
本对比例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，与实施例2的区别仅在于：碳酸氢铵加入量是以500mg总氨氮/L浓度添加至反应器中。
经检测，平均日产气量为53.3±31.9mL/g VS。
对比例6
本对比例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，与实施例1的区别仅在于：碳酸氢铵更换为氯化铵，加入量是以200mg总氨氮/L浓度添加至反应器中。
经检测，累计产气量大致为218.4±2.9mL/g VS。
综上所述，本发明实施例提供一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，通过在低碳氮比的餐厨垃圾进行厌氧发酵时加入特定量的碳酸氢铵，促进低碳氮比厌氧消化系统自我调节能力的加强，使得系统稳定性增强，避免发酵系统过量中间产物积累，最终实现低碳氮比的餐厨垃圾进行厌氧发酵并高效产甲烷的目的。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低碳氮比餐厨垃圾的厌氧发酵方法，其特征在于，包括：将餐厨垃圾和接种物混合形成发酵体系，并在所述发酵体系中加入碳酸氢铵进行厌氧发酵；
其中，所述餐厨垃圾的碳氮比小于等于15；
根据厌氧发酵反应器的体积确定加入碳酸氢铵的量，所述碳酸氢铵的加入量是控制氨氮浓度为1-200mg/L。
2.根据权利要求1所述的厌氧发酵方法，其特征在于，所述餐厨垃圾的碳氮比小于等于11。
3.根据权利要求2所述的厌氧发酵方法，其特征在于，所述餐厨垃圾的碳氮比为6-11。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的厌氧发酵方法，其特征在于，所述碳酸氢铵的加入量是控制氨氮浓度为50-150mg/L；
优选地，碳酸氢铵是以水溶液的形式加入。
5.根据权利要求1所述的厌氧发酵方法，其特征在于，所述接种物的用量根据所述餐厨垃圾中的挥发性有机固体含量进行确定，以控制所述发酵体系中挥发性有机固体的质量浓度为2-7％；优选为3-6％。
6.根据权利要求5所述的厌氧发酵方法，其特征在于，所述接种物为厌氧污泥；
优选地，所述接种物为驯化后的厌氧污泥。
7.根据权利要求6所述的厌氧发酵方法，其特征在于，厌氧污泥中挥发性有机固体含量与所述餐厨垃圾中挥发性有机固体的质量比为10:2.5-3.5。
8.根据权利要求1所述的厌氧发酵方法，其特征在于，厌氧发酵温度为30-40℃，发酵时间为15-30天。
9.根据权利要求8所述的厌氧发酵方法，其特征在于，厌氧发酵温度为32-37℃，发酵时间为20-25天。
10.根据权利要求8所述的厌氧发酵方法，其特征在于，在所述厌氧发酵的过程中，收集产生的甲烷气体。
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-
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| CN114772887B (zh) * | 2022-04-11 | 2023-07-21 | 同济大学 | 一种利用碳酸氢铵提升污泥厌氧消化产甲烷量的方法 |
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